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路面模量反演

/pavement modulus back-calculation/
最后更新 2022-01-20
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已知一个路面结构的组成(如路面各层的厚度和材料类型等)和力学参数(如路面荷载、路面各层泊松比和模量等),可准确地计算出路面弯沉值或弯沉盆。因该弯沉盆与路面结构组成和力学参数之间存在唯一的一一对应关系,故根据实测的路面弯沉盆即可反算出路面结构的组成和力学参数,此为路面结构反演分析。但由于路面弯沉与路面结构组成、各层力学参数之间的关系式不是一个可简单计算的显式,且实测的弯沉盆数值难免有误差,很难与理论结果精确相等,故上述反演分析过程十分复杂。为减少反算的参数数量和提高反算的精度,根据路面评价的需求,一般仅反算路面各结构层的模量这一力学参数,即路面模量反演。

英文名称
pavement modulus back-calculation
所属学科
土木工程

20世纪70年代以来,人们已经建立了多种路面结构反演分析方法。这些常规方法可分为4类,即传统的图表公式法、基于计算机的试误法(计算机试算法)、脉冲反应分析法和系统识别方法。

传统的图表公式法。基于一些半经验、半理论公式或根据多种事先绘制的图表,一般只能用于两层体系,具有简单、直观、方便等特点,但误差较大,适合于计算机技术尚不发达、计算手段有限的阶段。

计算机试算法。最基本的原理是想方设法让实测弯沉盆和计算弯沉盆相匹配,已经研发了多种这类反演方法。它们的共性是:借助现代计算机运行速度快、计算空间大的特点,假定并不断调整路面结构模量组合,直到满足目标函数的约束条件为止,即认定假定模量为实际模量。是最普遍使用的方法。

脉冲反应分析法。当FWD的加载锤自由落在路面上时,路面受到了一个脉冲荷载,并产生了体波和表面波。采用速度传感器可以记录路面竖向速度随时间的变化,并通过积分转化为路面弯沉。根据这个记录结果,可以进行关于力-时间脉冲的快速傅里叶变换和关于弯沉-时间反应的快速傅里叶变换。在这些分析方法中,路面各层模量都是频率的函数,并且被表达为复数的形式。根据准确模拟路面模量反算的过程,可以通过试算法去匹配每一种频率的模和相位角,从而确定各层的复数模量。

系统识别方法。一种由电气工程师提出的方法,其要点是使用输入输出信号和假定的滤波模型来确定滤波的特性,通过搜索技术系统地改变模型的特性,直至模型产生的输出可以接受为止。

在采用计算机试误法进行路面结构反演分析时,虽然不同的研究者提出的方法不同,但实际上都是采用匹配法,最终归结为一个最优化问题,即寻求使计算弯沉盆与实测弯沉盆偏差最小时所对应的结构层特性参数。但是,解的不唯一导致了解的稳定性和收敛性很差;加上路面材料本构关系自身的复杂性,造成求解过程中最小二乘矩阵的结构较差,最终导致反演分析解对实测弯沉的质量和输入的初始弯沉十分敏感。所以,建立新的反演分析理论,寻求具有唯一解的反演分析方法就成为提高反演分析的精度和实用性的关键。

1994年,中国学者孙立军在同济大学道路与交通工程系和日本港湾技术研究所的合作研究项目支持下建立了基于惰性点的模量反演分析方法。该方法表明:对于一个两层路面结构(路面和路基),当路面厚度和路基模量保持不变时,随着路面模量的变化,路面的弯沉盆曲线虽不精确地相交于一点,但都相交于一个非常狭窄的范围内(交汇区域的宽度一般小于10~15厘米),该区域的弯沉值几乎保持不变,具有非常高的稳定性,故称为惰性弯沉区域,其中惰性最大的一点定义为惰性弯沉点,简称为惰性区域和惰性点。换言之,当路面厚度一定时,惰性点处的弯沉值不随路面模量变化而变化,只与路基模量相关。根据惰性点原理,可建立具有唯一解的路面模量反演分析方法和提高反演分析的精度。

在进行基于惰性点的模量反演分析时,首先要确定惰性点的位置和惰性弯沉值。惰性点的位置是指惰性弯沉点到荷载作用中心的距离,记为;惰性弯沉值是指惰性点的弯沉大小,记为。在路面结构的反演分析中,一般假定路面的厚度是已知参数。此时,根据惰性点原理,仅与路基模量有关。因此,从FWD测定的弯沉盆上确定了后,值则可被唯一确定。然后根据值和其他点的弯沉(如荷载中心的弯沉)即可确定路面的模量。这便从理论上解决了两层路面结构反演分析中解的唯一性问题。由于惰性点是唯一的,所以反算的路基模量和路面模量也是唯一的。而且,与其他匹配方法相比,基于惰性点的模量反演分析方法反算的速度快,反算的精度也高得多。

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